KR20080064817A - Multigas monitoring and detection system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 흡수 분광계에 관한 것으로, 특히 화학전 약품, 유독성 공업 약품, 및 주변 공기에서 발견될 수 있는 다른 트레이스 화합물의 트레이스량을 검출하는 것에 관한 것이다. FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to absorption spectrometers, and more particularly to detecting trace amounts of chemical agents, toxic industrial chemicals, and other trace compounds that can be found in ambient air.
분광학(spectroscopy)은 전자기 방사선과 샘플(예컨대, 가스, 고체 및 액체 중 하나 이상을 포함함) 간의 상호 작용에 관한 연구이다. 방사선이 특별한 샘플과 반응하는 방식은 샘플의 특성(예컨대, 분자 조성)에 좌우된다. 일반적으로, 방사선이 샘플을 통과함에 따라, 특정 방사 파장이 샘플 내의 분자에 의해 흡수된다. 흡수되는 방사선의 특정 파장은 특정 샘플 내의 각각의 분자에 특유하다. 방사선의 어느 파장이 흡수되는지를 식별함으로써, 샘플 내에 존재하는 특정 분자를 식별하는 것이 가능하다. Spectroscopy is a study of the interaction between electromagnetic radiation and a sample (including one or more of gas, solid, and liquid). The manner in which radiation reacts with a particular sample depends on the nature of the sample (eg, molecular composition). In general, as radiation passes through the sample, a particular radiation wavelength is absorbed by the molecules in the sample. The particular wavelength of radiation absorbed is specific to each molecule in a particular sample. By identifying which wavelength of radiation is absorbed, it is possible to identify specific molecules present in the sample.
적외선 분광학(Infrared spectroscopy)은, 예컨대, 샘플 내의 분자의 타입 및 개별 분자들의 농도가 샘플(예컨대, 가스, 고체, 액체 또는 그 조합)을 적외선 전자기 에너지를 노출시킴으로써 결정되는 분광학의 특별한 분야이다. 일반적으 로, 적외선 에너지는 약 0.7 μm(주파수 14,000 cm-1)와 약 1000 μm (주파수 10 cm-1) 사이의 에너지의 파장을 가진 전자기 에너지로 간주된다. 적외선 에너지는 샘플을 통해 향하게 되고, 에너지는 샘플 내의 분자와 상호 작용한다. 샘플을 통과하는 에너지는 검출기(예컨대, 전자기 검출기)에 의해 검출된다. 다음에, 검출된 신호는 예컨대, 샘플의 분자 조성 및 샘플 내의 특정 분자의 농도를 결정하는데 사용된다. Infrared spectroscopy is a special field of spectroscopy where, for example, the type of molecule in a sample and the concentration of individual molecules are determined by exposing the sample (eg, gas, solid, liquid, or combination thereof) to infrared electromagnetic energy. In general, infrared energy is considered electromagnetic energy with a wavelength of energy between about 0.7 μm (frequency 14,000 cm −1 ) and about 1000 μm (
한가지 특별한 타입의 적외선 분광계가 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계이다. 이 분광계는 다양한 분야, 예컨대, 공기 품질 감시, 폭발물 및 생물학적 약품 검출, 반도체 처리, 및 화학 약품 생산에 사용된다. FTIR 분광계에 대한 다른 응용은 사용자가 샘플 내에 존재하는 분자를 구별하고 다른 분자들의 농도를 결정할 수 있도록 하기 위해 다른 검출 감도를 필요로 한다. 일부 응용에서는, 샘플 내의 개별 분자들의 농도를 약 1 ppb(part per billion) 이내까지 식별하는 것이 필요하다. 산업 응용은 점점 더 나은 감도를 요구함에 따라, 기존의 분광학 시스템의 최적화 및 새로운 분광학 구성 요소의 이용을 통해, 시스템은 샘플 내의 분자의 점점 더 낮은 농도를 반복 가능하게 그리고 신뢰성 있게 분석할 수 있다. One particular type of infrared spectrometer is the Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer. This spectrometer is used in various fields such as air quality monitoring, explosives and biological drug detection, semiconductor processing, and chemical production. Other applications for FTIR spectrometers require different detection sensitivities to allow the user to distinguish the molecules present in the sample and to determine the concentration of other molecules. In some applications, it is necessary to identify the concentration of individual molecules in the sample to within about 1 part per billion (ppb). As industrial applications call for greater sensitivity, through optimization of existing spectroscopy systems and the use of new spectroscopy components, the system can repeatably and reliably analyze the lower concentrations of molecules in a sample.
본 발명은 각종 실시예에서, 주변 공기와 같은 가스 샘플에서 유독 화학 물질을 모니터링 및/또는 검출하는 분광 검출 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 각종 CWA(chemical warfare agent), 유독성 유기 화합물(toxic organic compound; TOC), 및 유독성 공업 약품(toxic industrial chemical; TIC)을 포함한 광범위한 화학 성분을 낮은 또는 서브 ppb( part per billion) 레벨로 검출 및 구별할 수 있는 컴팩트하고 휴대형인 다수의 가스 분석기일 수 있다. 시스템은 알람 에러(예컨대, 잘못된 포지티브 또는 네거티브)를 최소화하고, 높은 특수성을 제공하며, 응용에 따라 수초 내지 수분 정도의 응답 시간으로 동작할 수 있다.The present invention features in various embodiments a spectroscopic detection system that monitors and / or detects toxic chemicals in a gas sample, such as ambient air. The system detects a wide range of chemical constituents, including various chemical warfare agents (CWAs), toxic organic compounds (TOCs), and toxic industrial chemicals (TICs) at low or sub-ppb levels. And a number of compact and portable gas analyzers that can be distinguished. The system minimizes alarm errors (eg, false positives or negatives), provides high specificity, and can operate with response times of seconds to minutes, depending on the application.
일 실시예에서, 시스템은 건물 점유자를 보호하기에 충분한 고속 민감성 위협 경보를 제공하고 또한 적응형 인프라구조 시스템이 오염 물질의 존재에 반응하도록 하기 위해 건물의 공기 처리 시스템에서 전개될 수 있는 절제된 자동화 유닛으로서 패키징될 수 있다. 일 실시예에서, 유닛은, FTIR 분광계, 가스 샘플 셀, 검출기, 내장 프로세서, 디스플레이, 전원 공급 장치, 공기 펌프, 가열 소자, 및 샘플을 수집하기 위한 공기 흡입구를 가진 다른 구성 요소 및 외부 장치들과의 인터페이스를 위한 전자 통신 포트를 가진, 전적으로 자체 포함형인 분석기일 수 있다.In one embodiment, the system is a restrained automated unit that can be deployed in the building's air handling system to provide a high-speed sensitive threat alert sufficient to protect building occupants and also allow the adaptive infrastructure system to respond to the presence of contaminants. Can be packaged as. In one embodiment, the unit comprises an FTIR spectrometer, a gas sample cell, a detector, an embedded processor, a display, a power supply, an air pump, a heating element, and other components and external devices with air inlets for collecting the sample. It can be an entirely self-contained analyzer with an electronic communication port for its interface.
일 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스 측정 가능 장치를 특징으로 한다. 이 장치는 제1 방사빔의 소스, 및 상기 소스로부터 상기 제1 방사빔을 수신하고 간섭 신호를 포함하는 제2 방사빔을 형성하는 간섭계를 포함한다. 샘플 셀이 간섭계와 광 통신하고, 샘플 셀은 샘플 셀의 제1 단부에 오목형 반사 필드면 그리고 상기 필드면에 샘플 셀의 제2 단부에 실질적으로 구형인 오목 반사 대물면을 포함한다. 상기 대물면과 필드면은 대립 관계에 있고, 대물면은 상기 필드면과 대물면 각각에서 다수의 반사를 통해 상기 샘플 셀을 통해 전파하는 상기 제2 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 포함한다. 상기 장치는 또한 상기 셀 샘플을 통해 가스의 샘플의 흐름을 형성하는 흐름 메커니즘, 상기 샘플 셀과 광 통신하는 냉각식 검출기, 상기 냉각식 검출기와 전기 통신하는 프로세서를 포함한다. 상기 냉각식 검출기는 상기 샘플 셀 내의 샘플을 통해 전파하는 간섭 신호를 수신하고, 상기 프로세서는 상기 간섭 신호로부터 상기 샘플 내의 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정한다. 상기 소스, 상기 간섭계, 상기 샘플 셀, 상기 냉각식 검출기 및 상기 프로세서는 하우징에 배치될 수 있다.In one aspect, the invention features a trace gas measurable device. The apparatus includes a source of a first radiation beam and an interferometer for receiving the first radiation beam from the source and forming a second radiation beam comprising an interference signal. The sample cell is in optical communication with the interferometer, the sample cell comprising a concave reflective field surface at the first end of the sample cell and a concave reflective objective surface that is substantially spherical at the second end of the sample cell at the field surface. The objective plane and the field plane are in opposition, and the objective plane is at least one plane to maximize throughput of the second radiation beam propagating through the sample cell through multiple reflections in each of the field plane and the objective plane. Including a cylindrical component to increase the focus match. The apparatus also includes a flow mechanism for forming a flow of a sample of gas through the cell sample, a cooled detector in optical communication with the sample cell, and a processor in electrical communication with the cooled detector. The cooled detector receives an interference signal that propagates through a sample in the sample cell, and the processor determines an absorption profile for the trace gas in the sample from the interference signal. The source, the interferometer, the sample cell, the cooled detector and the processor may be disposed in a housing.
다른 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 접힌 경로를 형성하기 위해 제1 단부에 있는 필드면 및 대립 관계로 제2 단부에 있는 대물면을 포함하는 샘플 셀을 포함하는 휴대형 흡수 분광계를 제공하는 단계, 및 주변 공기의 샘플을 상기 셀 샘플을 통해 흘리는 단계를 포함한다. 주변 공기의 샘플에서 약 500 ppb 미만의 농도를 가진 트레이스 가스를 검출하기 위해 상기 샘플 셀 내에서 전파하는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위하여 상기 접힌 경로에서 상기 샘플 셀의 부피와 방사빔의 통로수가 최적화될 수 있다.In another aspect, the invention features a method of optically measuring a trace gas. The method includes providing a portable absorption spectrometer comprising a sample cell comprising a field surface at a first end and an object surface at a second end in opposition to form a folded path, and a sample of ambient air Flowing through the cell sample. Optimize the volume of the sample cell and the number of paths of the radiation beam in the folded path to maximize the throughput of the radiation beam propagating within the sample cell to detect trace gases having a concentration of less than about 500 ppb in the sample of ambient air. Can be.
또 다른 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 실질적으로 밀폐된 샘플 셀을 포함하는 흡수 분광계를 제공한다. 상기 샘플 셀은 상기 샘플 셀을 통과하도록 방사빔을 지향시키기 위해 제1 단부에 필드면 그리고 제2 단부에 대립 관계로 대물면을 포함한다. 주변 공기의 샘플을 통해 전파하는 방사빔의 제1 신호가 상기 샘플 셀 내에서 제1 압력으로 측정된다. 상기 샘플 셀은 제2 압력이 될 때까지 주변 공기로 압력이 가해지고, 제2 압력으로 주변 공기의 샘플을 통해 전파하는 방사빔의 제2 신호가 측정된다. 트레이스 가스의 존재를 나타내는 신호를 결정하기 위해 상기 제1 신호와 상기 제2 신호가 조합된다.In another aspect, the invention features a method of optically measuring a trace gas. This method provides an absorption spectrometer comprising a substantially closed sample cell. The sample cell includes a field surface at the first end and an object surface in opposition to the second end to direct the radiation beam through the sample cell. The first signal of the radiation beam propagating through the sample of ambient air is measured at the first pressure in the sample cell. The sample cell is pressurized with ambient air until the second pressure is reached, and the second signal of the radiation beam propagating through the sample of ambient air at the second pressure is measured. The first signal and the second signal are combined to determine a signal indicative of the presence of trace gas.
각종 실시예에서, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정하기 위해 조합될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일은 상기 샘플 영역에서 상기 샘플을 통해 전파하는 간섭 신호로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 셀에 압력을 가함으로써 상기 트레이스 가스의 흡수 프로파일의 진폭이 베이스라인 신호에 대해 증가될 수 있다.In various embodiments, the first signal and the second signal can be combined to determine an absorption profile for trace gas. In some embodiments, an absorption profile for the trace gas can be determined from an interfering signal propagating through the sample in the sample region. In one embodiment, by applying pressure to the sample cell, the amplitude of the absorption profile of the trace gas can be increased relative to a baseline signal.
또 다른 양태에서, 본 발명은 광학 시스템으로부터 오염 물질을 제거하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 흡수 분광계의 적어도 하나의 샘플 영역에서 오염 물질의 농도를 결정하는 단계, 및 상기 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면, 상기 오염 물질을 제거하기 위해 상기 샘플 영역을 정화 온도까지 가열하는 단계를 포함한다. 상기 샘플 영역을 가열하면서 상기 오염 물질의 농도가 감시되고, 상기 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달할 때 상기 샘플 영역의 가열을 줄이거나 정지할 수 있다.In another aspect, the invention features a method of removing contaminants from an optical system. The method includes determining a concentration of a contaminant in at least one sample region of an absorption spectrometer, and if the concentration of the contaminant exceeds a contamination value, heating the sample region to a purge temperature to remove the contaminant. Steps. The concentration of the contaminant is monitored while heating the sample region, and heating of the sample region can be reduced or stopped when the concentration of the contaminant reaches a purification value.
또 다른 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스 측정 가능 장치를 특징으로 한다. 이 장치는 소스로부터 제1 방사빔을 수신하고 간섭 신호를 포함하는 제2 방사빔을 형성하는 간섭계, 상기 간섭계와 광 통신하는 샘플 셀, 상기 셀 샘플을 통해 가스의 샘플의 흐름을 형성하는 흐름 메커니즘, 적어도 상기 샘플 셀을 가열하는 모듈, 상기 샘플 셀과 광 통신하는 검출기, 및 상기 검출기 및 상기 모듈과 전기 통신하는 프로세서를 포함한다. 상기 검출기는 상기 샘플 셀 내의 샘플을 통해 전파하는 간섭 신호를 수신한다. 상기 프로세서는 상기 간섭 신호로부터 상기 샘플 내의 오염 물질의 농도를 결정하고, 상기 샘플 셀 내의 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면 상기 오염 물질을 제거하기 위해 상기 샘플 셀을 정화 온도까지 가열하도록 상기 모듈에게 시그널링하고, 상기 모듈이 상기 샘플 셀을 가열하는 동안 상기 오염 물질의 농도를 감시하고, 상기 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달하면 상기 샘플 셀의 가열을 줄이거나 정지하도록 상기 모듈에게 시그널링한다.In another aspect, the invention features a trace gas measurable device. The apparatus comprises an interferometer for receiving a first radiation beam from a source and forming a second radiation beam comprising an interference signal, a sample cell in optical communication with the interferometer, and a flow mechanism for forming a flow of a sample of gas through the cell sample A module for heating at least the sample cell, a detector in optical communication with the sample cell, and a processor in electrical communication with the detector and the module. The detector receives an interference signal that propagates through a sample in the sample cell. The processor determines the concentration of contaminants in the sample from the interference signal and heats the sample cell to a purge temperature to remove the contaminants when the concentration of contaminants in the sample cell exceeds a contamination value. And monitor the concentration of the contaminant while the module heats the sample cell and signal the module to reduce or stop heating of the sample cell when the concentration of the contaminant reaches a purification value.
다른 예에서, 상기 양태들 중 어느 양태 또는 여기서 설명되는 장치 또는 방법은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각종 실시예에서, 상기 트레이스 가스는 약 500 ppb 미만의 농도를 갖고 있다. 일 실시예에서, 상기 트레이스 가스는 약 10 ppb와 약 50 ppb 사이의 농도를 갖고 있다. 일 실시예에서, 상기 하우징은 휴대형이고, 상기 가스의 샘플을 포함하는 주변 공기의 흡입용 구멍을 정의한다. 상기 구멍은 상기 샘플 셀과 유체 통신할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 셀은 약 0.8 리터 미만의 부피를 가질 수 있다.In another example, any of the above aspects or the apparatus or method described herein can include one or more of the following features. In various embodiments, the trace gas has a concentration of less than about 500 ppb. In one embodiment, the trace gas has a concentration between about 10 ppb and about 50 ppb. In one embodiment, the housing is portable and defines a hole for intake of ambient air containing a sample of the gas. The aperture may be in fluid communication with the sample cell. In one embodiment, the sample cell may have a volume of less than about 0.8 liters.
일부 실시예에서, 상기 샘플 셀은 약 5 미터와 약 12 미터 사이의 경로 길이를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 장치는 상기 휴대형 하우징 내에 배치되어, 적어도 상기 샘플 셀을 약 40°C와 약 180°C 사이의 온도까지 가열시키는 가열 소자를 더 포함한다.In some embodiments, the sample cell can have a path length between about 5 meters and about 12 meters. In one embodiment, the apparatus further comprises a heating element disposed in the portable housing to heat at least the sample cell to a temperature between about 40 ° C. and about 180 ° C.
일부 실시예에서, 상기 하우징은 건물용 공기 처리 시스템에 장착 가능하다. 알람은 상기 공기 처리 시스템 내의 오염 물질의 존재를 경보하기 위해 소리를 낼 수 있다. In some embodiments, the housing is mountable to a building air treatment system. An alarm may sound to alert the presence of contaminants in the air treatment system.
일 실시예에서, 상기 가스의 샘플은 분당 약 3 리터보다 큰 유량으로 상기 샘플 셀을 통해 흐른다. 상기 샘플 셀은 약 10 초의 시간 간격으로 약 80%와 약 95% 사이의 가스 교환율을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스의 샘플은 화학전 약품, 유독 무기 화합물, 또는 유독성 유기 화합물을 포함한다. 상기 장치는, 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 중 적어도 하나의 약 50 ppb에 대해 약 20 초 미만의 응답 시간을 가질 수 있다.In one embodiment, the sample of gas flows through the sample cell at a flow rate greater than about 3 liters per minute. The sample cell may have a gas exchange rate between about 80% and about 95% at time intervals of about 10 seconds. In one embodiment, the sample of gas comprises a chemical agent, a toxic inorganic compound, or a toxic organic compound. The device may have a response time of less than about 20 seconds for about 50 ppb of at least one of sarin, starch, cattle, sulfur mustard, and VX.
각종 실시예에서, 상기 트레이스 가스를 검출하기 위해 제1 흡수 스펙트럼을 제1 해상도로 측정할 수 있고, 보다 높은 해상도로 제2 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있다.In various embodiments, the first absorption spectrum may be measured at a first resolution and the second absorption spectrum may be measured at a higher resolution to detect the trace gas.
각종 실시예에서, 필드면은 오목 반사면을 포함할 수 있고, 상기 대물면은 실질적으로 구형인 오목 반사면을 포함할 수 있다. 상기 대물면은 상기 샘플 셀의 접힌 경로를 통해 전파하는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 영역에서 상기 샘플을 통해 전파하는 간섭 신호로부터 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정할 수 있다.In various embodiments, the field surface may comprise a concave reflective surface, and the objective surface may include a substantially spherical concave reflective surface. The objective may include a cylindrical component that increases focus agreement in at least one plane to maximize throughput of the radiation beam propagating through the folded path of the sample cell. In one embodiment, an absorption profile for the trace gas may be determined from an interference signal propagating through the sample in the sample region.
본 발명의 다른 양태 및 이점은 예컨대 본 발명의 원리를 예시하는 다음의 도면, 상세한 설명, 및 청구의 범위로부터 명백해질 것이다.Other aspects and advantages of the invention will be apparent from the following drawings, detailed description, and claims that illustrate, for example, the principles of the invention.
상기한 본 발명의 이점은 다른 이점과 함께 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 잘 이해될 것이다. 도면에서, 동일 참조 문자는 일반적으로 서로 다른 도면들 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 나타낸다. 도면은 반드시 일정한 비례로 작성된 것은 아니며, 전반적으로 본 발명의 원리에 대신 중점을 둔다.The advantages of the present invention described above will be better understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, along with other advantages. In the drawings, like reference characters generally refer to like parts throughout the different figures. The drawings are not necessarily drawn to scale, but instead generally focus on the principles of the invention.
도 1은 본 발명에 따라 가스 샘플 내의 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하는 예시적인 검출 시스템의 블록도. 1 is a block diagram of an exemplary detection system for monitoring and / or detecting trace gas in a gas sample in accordance with the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 광학 구성의 개략도. 2 is a schematic diagram of an exemplary optical configuration in accordance with the present invention.
도 3은 본 발명에 따라 샘플을 샘플 셀에 도입시키는 예시적인 흐름 시스템의 블록도. 3 is a block diagram of an exemplary flow system for introducing a sample into a sample cell in accordance with the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 경로 길이/NEA 대 샘플 셀의 광학 표면들 사이의 통로수의 그래프. 4 is a graph of path length / NEA versus number of passages between optical surfaces of a sample cell in accordance with the present invention.
도 5는 본 발명에 따라 예시적인 검출 시스템에 트레이스 가스를 입력하는 동안의 트레이스 가스의 농도 대 시간의 그래프. 5 is a graph of trace gas concentration versus time during input of trace gas to an exemplary detection system in accordance with the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 일련의 측정을 위한 시간 라인을 도시한 도면. 6 shows a time line for a series of measurements according to the invention.
도 7은 본 발명에 따라 가스 샘플에서 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하 기 위한 예시적인 검출의 평면도. 7 is a plan view of an exemplary detection for monitoring and / or detecting trace gas in a gas sample in accordance with the present invention.
도 8은 본 발명에 따라 가스 샘플 내의 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하기 위한 예시적인 검출의 일부 구성 요소들의 평면도.8 is a plan view of some components of exemplary detection for monitoring and / or detecting trace gas in a gas sample in accordance with the present invention.
도 1은 가스 샘플 내의 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하는 예시적인 장치(10)의 블록도를 도시한다. 장치(10)는 사린(sarin), 타분(tabun), 소만(soman), 유황 겨자(sulfur mustard), 및 VX 신경 가스와 같은 물질의 트레이스양을 검출하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 고체 또는 액체 물질의 증기가 검출될 수 있다. 장치(10)는 흡수 분광계 및/또는 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계일 수 있다. 예시된 실시예에서, 장치(10)는 소스(14), 간섭계(18), 샘플 셀(22), 가스 샘플(26)의 소스, 검출기(30), 프로세서(34), 디스플레이(38), 및 하우징(42)을 포함한다. 각종 실시예에서, 장치(10)는 가능하다면 잘못된 포지티브(positives) 또는 네거티브(negatives)를 줄이면서 짧은 시간 기간 내에 가스의 트레이스량을 검출하기 위해 사용될 수 있다.1 shows a block diagram of an
각종 실시예에서, 소스(14)는 방사빔(예컨대, 적외선 방사빔)을 제공할 수 있다. 소스(14)는 레이저 또는 인코히어런트(incoherent) 소스일 수 있다. 일 실시예에서, 소스는 흑체 복사(blackbody radiation)를 발생하기 위해 약 1000°C까지 가열되는 불활성 고체인 글로바(glowbar)이다. 글로바는 실리콘 카바이드로 형성될 수 있고, 전기적으로 전원 공급될 수 있다. 시스템의 스펙트럼 범위는 약 600 cm-1과 약 5000 cm-1 사이일 수 있다. 시스템의 해상도는 2 cm- 1와 약 4 cm-1 사이일 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 트레이스 가스의 검출시 트레이스 가스의 보다 높은 해상도 스펙트럼을 기록할 수 있다. 더 높은 해상도 스펙트럼은 트레이스 가스의 식별을 도울 수 있다.In various embodiments,
각종 실시예에서, 방사 소스(14) 및 간섭계(18)는 단일 계기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 간섭계(18)는 당해 분야에서 통상적으로 알려진 마이켈슨(Michelson) 간섭계이다. 일 실시예에서, 간섭계(18)는 MKS 인스트루먼츠, 인코포레이티드(미국 메사츄세츠 윌밍톤 소재)에서 입수 가능한 BRIK 간섭계이다. BRIK 간섭계는 입력 방사선을 분리 및 조합하는 조합기, 방사선을 변조하는 가동식 코너 큐브(moving corner cube), 중앙 버스트(center burst)를 식별하는데 사용되는 백색광 소스, 및 코너 큐브의 속도를 감시하는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 포함할 수 있다. BRIK 간섭계는 열적 변화뿐만 아니라 경사 및 측방향 움직임 에러의 영향을 받지 않을 수 있으며, 이는 간섭계의 내구성(ruggedness)을 개선시킬 수 있다. In various embodiments,
일 실시예에서, 간섭계(18)는 방사 소스, 고정식 미러, 이동식 미러, 광학 모듈, 및 검출기 모듈(예컨대, 검출기(30))을 포함하는 모듈일 수 있다. 간섭계 모듈은 그 소스에 의해 생성되어 샘플(예컨대, 샘플 셀(22) 내에 포함된 샘플(26))을 투과하는 모든 광학 주파수들을 측정할 수 있다. 방사선은 방사선을 두 빔, 즉 제1 신호 및 제2 신호로 분리할 수 있는 광학 모듈(예컨대, 광 분리기)로 향한다. 이동식 미러는 전자기 에너지의 이들 두 초기에 실질적으로 동일한 빔들 간의 가변 경로 길이차를 생성한다. 이동식 미러는 통상 일정 속도로 이동되거나 지나간다. 제1 신호가 제2 신호와는 다른 거리(이 실시예에서, 이동식 미러의 이동에 기인함)를 이동한 후, 제1 신호 및 제2 신호는 광학 모듈에 의해 재조합될 수 있고, 이에 따라 두 빔의 간섭에 의해 변조되는 세기를 가진 라디오메트릭(radiometric) 신호가 생성된다. 이 간섭 신호는 샘플을 통과하여 검출기에 의해 검출된다. 다른 샘플들(예컨대, 고체, 액체, 또는 가스)의 존재는 검출기에 의해 검출되는 방사선의 세기를 변조시킬 수 있다. 그러므로, 검출기의 출력은 샘플에 의해 생성된 전자기 신호의 변조뿐만 아니라 고정식 미러와 이동식 미러의 상대 위치들에 의해 형성되는 광학 경로차에 따라 가변의 시간 종속 신호이다. 이 출력 신호는 간섭도(interferogram)로서 설명될 수 있다. In one embodiment,
간섭도는 수신된 에너지세기 대 이동식 미러의 위치의 도면으로 표현될 수 있다. 당업자는 간섭도를 시간의 함수인 신호로 본다. 간섭도는 이동식 미러의 변위에 의해 생성되는 가변 광학 경로차의 함수이다. 이동식 미러의 위치는 통상 그리고 바람직하게 일정 속도로 지나가므로, 당업자는 간섭도를 "시간 영역" 신호로 본다. 간섭도는 소스에 의해 방출되어 샘플을 통과하는 에너지의 모든 파장의 합으로 이해될 수 있다. 푸리에 변환(Fourier Transform; FT)이라는 수학적 과정을 이용하여, 컴퓨터 또는 프로세서는 간섭도를, 샘플을 통해 흡수 또는 투과되는 광의 특성인 스펙트럼으로 변환할 수 있다. 개별 타입의 분자는 에너지의 특정 파장을 흡수하기 때문에, 간섭도 및 대응 스펙트럼에 기초하여 샘플에 존재하는 분 자(들)를 결정하는 것이 가능하다. 유사한 방식으로, 샘플에 의해 흡수되거나 통과되는 에너지의 크기가 샘플 내의 분자(들)의 농도를 결정하는데 이용될 수 있다. The degree of interference can be expressed in terms of the received energy intensity versus the position of the movable mirror. Those skilled in the art view interference as a signal that is a function of time. The degree of interference is a function of the variable optical path difference produced by the displacement of the movable mirror. Since the position of the movable mirror usually and preferably passes at a constant speed, those skilled in the art regard the interference as a "time domain" signal. Interference can be understood as the sum of all wavelengths of energy emitted by the source and passing through the sample. Using a mathematical process called Fourier Transform (FT), a computer or processor can transform interference into a spectrum that is characteristic of light absorbed or transmitted through the sample. Because individual types of molecules absorb specific wavelengths of energy, it is possible to determine the molecule (s) present in the sample based on the degree of interference and the corresponding spectrum. In a similar manner, the amount of energy absorbed or passed by the sample can be used to determine the concentration of molecule (s) in the sample.
각종 실시예에서, 간섭계는 간섭 신호를 형성하는데 사용되지는 않는다. 광학 신호를 기록하는 데는 흡수 분광계가 사용되며, 트레이스 종(trace species)에 관한 정보는 샘플링 영역을 통해 전송되는 신호로부터 도출된다. 예컨대, 흡수 스펙트럼 또는 시차 스펙트럼(differential spectrum)이 이용될 수 있다. In various embodiments, the interferometer is not used to form the interfering signal. Absorption spectrometers are used to record the optical signal, and information about the trace species is derived from the signal transmitted through the sampling area. For example, absorption spectrum or differential spectrum may be used.
각종 실시예에서, 샘플 셀(22)은 접힌 경로 및/또는 다중 경로 흡수 셀일 수 있다. 샘플 셀(22)은 광학 구성 요소들의 시스템을 수용하는 알루미늄 하우징을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 셀(22)은 미국 특허 제 5,440,143 호에 기재된 바와 같이 접힌-경로 광학 분석 가스 셀이며, 이 공보는 참고 문헌으로서 여기에 포함된다. In various embodiments,
각종 실시예에서, 가스의 샘플(26)의 소스는 주변 공기일 수 있다. 샘플 셀(22) 또는 가스 샘플링 시스템은 주변 공기를 수집하여 샘플 셀(22)의 샘플링 영역에 도입시킬 수 있다. 가스의 샘플은 샘플 셀(22)의 입구(46) 및 출구(50)를 포함하는 흐름 시스템을 사용하여 미리 결정된 유량으로 샘플 셀(22)에 도입될 수 있다. In various embodiments, the source of the
각종 실시예에서, 검출기(30)는 적외선 검출기일 수 있다. 일부 실시예에서, 검출기(30)는 냉각식 검출기이다. 예컨대, 검출기(30)는 한제(cryogen) 냉각식 검출기 (예컨대, MCT(mercury cadmium telluride) 검출기), 스털링(Stirling) 냉각식 검출기, 또는 펠티어(Peltier) 냉각식 검출기일 수 있다. 일 실시예에서, 검출기는 DTGS(deuterated triglycine sulfate) 검출기이다. 일 실시예에서, 검출기는 트레이스 가스를 검출하는 데 필요한 감도를 제공할 수 있는 16-μm 컷오프(cutoff)를 가진 0.5 mm 스털링-냉각식 MCT 검출기이다. 스털링-냉각식 MCT 검출기의 상대 응답도(relative responsitivity)(즉, 파장의 함수로서의 응답도의 비)는 관심 있는 메인 파장 영역(예컨대, 8.3-12.5 μm)에 걸쳐 적어도 80%이다. 또한, 스털링-냉각식 MCT 검출기의 D* 값은 적어도 3x1010cm Hz1 /2 W-1일 수 있다. D*는 검출기 잡음 등가 전력과 활성 요소 영역의 제곱근의 곱의 역으로 정의될 수 있다. In various embodiments, the
프로세서(34)는 검출기(30)로부터 신호를 수신하고, 트레이스 가스를 그 스펙트럼 지문에 의해 식별하거나 샘플 내의 특별한 물질에 대한 상대 또는 절대 농도를 제공할 수 있다. 프로세서(34)는, 예컨대, 퍼스널 컴퓨터상에서 구동되는 신호 처리 하드웨어 및 정량적 분석 소프트웨어일 수 있다. 프로세서(34)는 처리 유닛 및/또는 메모리를 포함할 수 있다. 프로세서(34)는 샘플 내의 다수의 가스들의 농도를 계산하면서 연속적으로 스펙트럼을 획득 및 처리할 수 있다. 프로세서(34)는 트레이스 가스의 아이덴티티(identity), 트레이스 가스의 스펙트럼, 및/또는 트레이스 가스의 농도와 같은 정보를 디스플레이(38)에 전송할 수 있다. 프로세서(34)는 스펙트럼 농도 시간 기록을 그래픽 및 표 형태로 저장하고 측정된 스펙트럼 및 나머지 스펙트럼을 저장할 수 있으며, 이들은 마찬가지로 디스플레이될 수 있다. 프로세서(34)는 추후에 재처리 또는 검토하기 위해 각종 다른 데이터를 수 집 및 저장할 수 있다. 디스플레이(38)는 음극선관 디스플레이, 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 디스플레이, 평판 스크린 디스플레이, 또는 당해 분야에 알려진 다른 적합한 디스플레이일 수 있다.
각종 실시예에서, 하우징(42)은 휴대이거나 강하거나 가벼운 검출 시스템을 제공하도록 되어 있을 수 있다. 하우징(42)은 핸들(handle)을 포함할 수 있고 및/또는 풀카트(pullcart) 또는 손수레(handtruck)와 같은 운송 기구에 쉽게 고정될 수 있다. 하우징(42)은 운반되거나 떨어지는 경우 광학 구조의 미스정렬 또는 구성 요소의 파손에 견디기에 충분히 강할 수 있다. 각종 실시예에서, 장치(10)의 무게는 40 파운드 정도로 작을 수 있다. 일 실시예에서, 장치(10)는 전적으로 자체 포함형(self-contained)이다(예컨대, 샘플을 수집하고, 스펙트럼을 기록하고, 스펙트럼을 처리하고, 샘플에 관한 정보를 디스플레이하는 데 필요한 모든 구성 요소들을 하우징(42) 내에 포함하고 있음). In various embodiments,
도 2는 장치(10)와 함께 사용될 수 있는 광학 구성의 실시예를 도시한다. 소스(14)(예컨대, 글로바)로부터의 방사빔은 제1 미러(52)에 의해 간섭계(18) (예컨대, 브롬화칼륨 광 분리기 포함)로 향한다. 방사빔은 포물면 미러(54)(parabolic mirror; PM)에 의해 제1 접이식 미러(58)로 향하여 샘플 셀(22)로 입력된다. 방사빔은 샘플 셀을 나와 제2 접이식 미러(62)에 의해 타원형 미러(66)(elliptic mirror; EM)로 향하고, 타원형 미러(66)는 방사빔을 검출기(30)로 보낸다. 2 illustrates an embodiment of an optical configuration that can be used with the
한가지 대표적인 실시예에서, 포물면 미러(54)는 약 105.0 mm의 유효 초점 거리, 약 89.62 mm의 모(parent) 초점 거리를 가질 수 있고, 약 74.2 mm의 오프 센터(off center) 값을 가질 수 있다. 포물면 미러(54)의 직경은 약 30.0 mm일 수 있고, 반사각은 약 45°일 수 있다. In one exemplary embodiment,
일 실시예에서, 타원형 미러(66)는 약 112.5의 장 반축(major semi-axis), 약 56.09의 단 반축(minor semi-axis), 및 약 7.11°의 타원의 경사각을 가질 수 있다. 타원형 미러(66)의 직경은 약 30.0 mm일 수 있고, 반사각(chief ray)은 약 75°일 수 있다. In one embodiment, the
각종 실시예에서, 제1 접이식 미러(58)는 약 25 mm의 직경을 가질 수 있고, 제2 접이식 미러(62)는 약 30 mm의 직경을 가질 수 있다. In various embodiments, the
미러 및 광학 구조는 금 코팅, 은 코팅, 또는 알루미늄 코팅을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 타원형 및 포물면 미러는 금으로 코팅되고, 평판 접이식 미러는 은으로 코팅된다. Mirrors and optical structures may include gold coatings, silver coatings, or aluminum coatings. In one embodiment, the oval and parabolic mirrors are coated with gold and the flat folding mirrors are coated with silver.
각종 실시예에서, 샘플 셀은 대물면(objective surface; 74) 및 필드면(field surface; 78)을 포함할 수 있다. 대물면(74)은 실질적으로 구형 및 오목형일 수 있다. 필드면(78)은 오목형일 수 있고, 대물면(74)과 대립 관계로 위치될 수 있다. 대물면(74)은 두 면(74, 78) 사이에서 전파되는 방사빔의 쓰루풋(throughput)을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점의 일치를 증가시키는 적어도 하나의 원통형 구성요소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 대물면(74)은 복수의 실질적으로 구형이고 오목형인 반사 대물면을 포함할 수 있고, 각 면은 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점의 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 포함할 수 있다. 대물면(들)의 곡률 중심(들)은 필드면(78)의 뒤에 위치될 수 있다. 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시킴으로써, 왜곡, 비점수차, 구형 수차, 및 코마(coma)가 더 잘 제어될 수 있고, 더 높은 쓰루풋가 실현될 수 있다. 원통형 구성요소가 추가되면, 하나의 평면에서 유효 곡률 반경이 감소되어, 반사면에 입사하는 광이 직교 평면에서 초점에 더 잘 접근할 수 있다. 일 실시예에서, 대물면(74)은 위에 포개어져 두 직교 평면에서 다른 곡률 반경을 제공하는 원통형 구성요소를 갖고 있다. 대물면(74)은 도넛과 유사한 외형을 가질 수 있다. In various embodiments, the sample cell may include an
샘플 셀(22)의 전체 경로 길이는 약 5 m와 약 15 m 사이일 수 있으나, 응용에 따라 더 길고 짧은 경로 길이가 이용될 수 있다. 하나의 구체적인 실시예에서, 샘플 셀(22)은 대물면(74)와 필드면(78) 사이에서 약 48개의 전체 통로 수로 인해 약 10.18 m의 전체 경로 길이를 갖고 있다. 샘플 셀(22)의 광학 구조는 0.5-mm 검출기 및 1 스테라디안 수용각(steradian collection angle)에 대해 최적화될 수 있다. 검출기 광배율은 약 8:1일 수 있다. 대물면(74)과 필드면(78)은 800 cm-1과 1200 cm-1 사이에서 약 98.5%의 공칭 반사율을 가진 금 코팅층을 가질 수 있다. 샘플 셀의 내부 부피는 약 0.2 L와 약 0.8 L 사이일 수 있지만, 응용에 따라 더 크고 작은 부피들이 사용될 수 있다. 하나의 구체적인 실시예에서, 부피는 약 0.45 L이다. The overall path length of the
일 실시예에서, 방사빔을 샘플 셀(22)을 향하게 하여 샘플 셀(22)을 통과시 키고, 샘플 셀(22)의 입구 슬릿 상에 방사빔을 포커싱하고, 및/또는 방사빔을 검출기로 향하게 하도록 하는데 사용되는 미러 및 광학 구조는, 방사선의 쓰루풋을 최대화하고 검출 시스템의 감도를 개선시킬 수 있는 샘플 셀의 광학 특성들을 매칭시키도록 최적화될 수 있다. In one embodiment, the radiation beam is directed through the
예컨대, 일 실시예에서, 적절히 정렬된 광학 구성은 약 88.8%의 효율을 를 가질 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 효율은 이미지 영역(image square)에 부딪히는 광선들의 수 대 방사 각도 범위 내의 방출 광선들의 전체 수의 비일 수 있다. 일 실시예에서, 접이식 미러(58, 62) 및 검출기(30)의 위치는 조절 가능하며, 이에 따라 간섭계(18), 포물면 미러(54), 샘플 셀(22), 및 검출기(30) 간의 각종 기계적인 허용 오차를 보상할 수 있다. 일 실시예에서는, 쓰루풋을 최적화하기 위해 다음의 공칭 (설계된) 광학 거리들이 이용될 수 있다. For example, in one embodiment, a properly aligned optical configuration can have an efficiency of about 88.8%. As used herein, the efficiency may be the ratio of the number of rays hitting an image square to the total number of emission rays in the emission angle range. In one embodiment, the positions of the fold mirrors 58 and 62 and the
· 약 21.39 mm의 검출기에서 타원형 미러까지의 거리(X1). Distance (X1) from the detector of about 21.39 mm to the elliptical mirror.
· 약 132.86 mm의 타원형 미러에서 접이식 미러까지의 거리(X2). Distance from oval mirror of about 132.86 mm to fold mirror (X2).
· 약 70.00 mm의 접이식 미러에서 샘플 셀(필드 미러의 표면)까지의 거리(X3). Distance (X3) from the fold mirror of approximately 70.00 mm to the sample cell (surface of the field mirror).
· 약 10181.93 mm의 샘플 셀 경로 길이. Sample cell path length of about 10181.93 mm.
· 약 70 mm의 샘플 셀에서 접이식 미러까지의 거리(X4). Distance from sample cell of about 70 mm to fold mirror (X4).
· 약 35 mm의 접이식 미러에서 포물면 미러까지의 거리(X5). Distance from folding mirror of approximately 35 mm to parabolic mirror (X5).
도 3은 샘플을 샘플 셀(22)에 도입시키기 위한 예시적인 흐름 시스템(82)의 실시예를 도시한다. 흐름 시스템(82)은 가스 라인(110)에 의해 연결된 필터(86), 흐름 센서(90), 선택적 가열 소자(94), 가스 셀(22), 압력 센서(98), 밸브(102), 및 펌프(106)를 포함한다. 화살표들은 흐름의 방향을 나타낸다. 흐름 시스템(82) 구성 요소들 중 하나 이상은 정화(decontamination) 온도와 CWA 및 TIC의 부식 성질에 견디기 위해, 예컨대, 테플론(Teflon), 스테인레스 강, 및 칼레츠(Kalrez)와 같은 웨트 부품(wetted parts)을 포함할 수 있다.3 shows an embodiment of an
필터(86)는 모트 코포레이션(Mott Corporation)(미국 코네티컷 파밍스톤 소재)에서 입수 가능한 인라인 2 μm 스테인레스 강 필터일 수 있다. 흐름 센서(90)는 스테인레스 강 wetted parts를 포함하는 매스(mass) 흐름 센서, 예컨대, 맥밀란 컴퍼니(McMillan Company; 미국 텍사스 조지타운 소재)에서 입수 가능한 흐름 센서일 수 있다. 가열 소자(94)는 왓로우 일렉트릭 매뉴팩쳐링 컴퍼니(Watlow Electric Manufactuing Company)(미국 미주리 세인트 루이스 소재)에서 입수 가능한 라인 히터일 수 있다. 압력 센서(98)는 MKS 인스트루먼츠(미국 메사츄세츠 윌밍톤 소재)에서 입수 가능한 바라트론(Baratron) 압력 센서일 수 있다. 밸브(102)는 스테인레스 강일 수 있고, 테프론 o-링, 예컨대, 스와겔록(Swagelok; 오하이오 솔론 소재)에서 입수 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 가스 라인(110)은 스와겔록에서 입수 가능한 3/8'' 직경의 배관일 수 있다.
펌프(106)는 가열식 헤드를 가진 "마이크로(micro)" 격막 펌프일 수 있다. 에어 디멘젼스, 인코포레이티드(Air Dimensions, Inc.; 미국 플로리다 디어필드 비치 소재)에서 입수 가능한 Dia-Vac B161 펌프가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 하그레이브스 테크놀로지 코포레이션(Hargraves Technology Corporation; 미국 노쓰 캐롤리나 무어스빌 소재)에서 입수 가능한 소형 격막 펌프가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 펌프(106)는 공기를 배출하기 위해 샘플 셀(22)로부터 다운 스트림에 위치될 수 있다. 결과적으로, 분석기의 내부 구성 요소들을 오염시킬 위험을 최소화하기 위해 시스템 내에서의 누출은 분석기 안으로 밀려들어가지 않고 분석기로부터 떨어질 수 있다. 또한, 펌프의 엘라스토머과 연관된, 의도하지 않은 화학 반응의 원하지 않는 제품이 샘플 셀(22)로 들어가는 것이 방지될 수 있다. The
각종 실시예에서, 흐름 시스템(82)을 통한 유량은 2 L/min과 10 L/min사이일 수 있지만, 응용에 따라서는 더 많고 적은 유량이 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 유량은 3 L/min와 6 L/min 사이이다. 샘플의 압력은 약 1 atm일 수 있지만, 응용에 따라서 더 높고 낮은 압력이 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 셀은 최고 4 atm과 같은 상승된 압력에서 동작될 수 있다. 샘플 셀의 동작 온도는 약 10°C와 약 40°C 사이일 수 있지만, 응용에 따라 더 높고 낮은 온도가 유지될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 샘플을 약 40°C와 약 180°C까지 가열시키는 가열 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 온도는 장치를 정화시키기 위해 약 150°C까지 증가될 수 있다.In various embodiments, the flow rate through
각종 실시예에서, 샘플 셀 경로 길이는 약 5 m와 약 12 m 사이일 수 있다. 필드면과 대물면 사이의 간격은 가스 샘플링 유량에 의해 제한될 수 있다. 일 실시예에서, 16 cm 간격 및 32개의 통로를 가진 5.11-미터 샘플 셀은 약 0.2 L의 내부 부피를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 동일한 통로수에 대해, 32개의 통로와 함께 20.3 cm 간격은 약 0.4 L의 부피를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 25.4 cm 간격은 약 0.6 L의 부피를 가질 수 있다. 적어도 10 초마다 "신선한" 주변 가스를 충분히 공급할 수 있는 유량이 결정될 수 있으나, 보다 작은 샘플링 레이트가 달성될 수 있다. 각종 실시예에서, 유량(예컨대, 2 L/min과 10 L/min 사이)은 가스의 최적 교환율을 제공하기 위해 최적화될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 가스의 교환율은 20 초의 검출 시간 간격으로 적어도 80%이다. 일 실시예에서, 가스의 교환율은 10 초의 검출 시간 간격으로 약 80%와 약 95%사이이다. In various embodiments, the sample cell path length may be between about 5 m and about 12 m. The spacing between the field and objective surfaces can be limited by the gas sampling flow rate. In one embodiment, a 5.11-meter sample cell with 16 cm spacing and 32 passageways may have an internal volume of about 0.2 L. In another embodiment, for the same passage, a 20.3 cm gap with 32 passages may have a volume of about 0.4 L. In yet another embodiment, the 25.4 cm spacing can have a volume of about 0.6 L. Every at least 10 seconds a flow rate that can sufficiently supply a "fresh" ambient gas can be determined, but a smaller sampling rate can be achieved. In various embodiments, the flow rate (eg, between 2 L / min and 10 L / min) can be optimized to provide the optimum exchange rate of the gas. For example, in one embodiment, the exchange rate of gas is at least 80% at 20 second detection time intervals. In one embodiment, the exchange rate of gas is between about 80% and about 95% at 10 second detection time intervals.
경로 길이/NEA 비는 검출 시스템의 감도를 정량화하는 메트릭(metric)으로서 사용될 수 있으며, 여기서 경로 길이는 미터를 단위로 하여 측정된 샘플 셀의 전체 빔 경로 길이이고, NEA는 흡광 단위(absorbance units; AU)로 측정된 잡음 등가 흡광이다. 감도가 검출 시스템의 비-체계적 에러(랜덤 잡음이라고도 함. 예컨대 검출기 및 전자 잡음)에 의해 제한된다면, 검출 한계는 경로 길이/NEA 비에 반비례할 수 있다. 예컨대, 비가 2배가 되면, ppb 또는 mg/m3 단위의 특별한 샘플의 검출 한계는 반감되게 된다. 따라서, 이는 감도 성능을 위한 적합한 정량화 메트릭(quantification metric)이다. 이 메트릭은 예컨대, 가스 여압(pressurization) 및 콜드 트랩핑(cold trapping)과 같은 진보된 샘플링 기술로 인해 감도 개선을 고려하지 않는다. The path length / NEA ratio can be used as a metric to quantify the sensitivity of the detection system, where the path length is the total beam path length of the sample cell measured in meters and NEA is the absorption units; AU) is the noise equivalent absorbance measured. If the sensitivity is limited by the non-systematic error of the detection system (also called random noise, eg detector and electronic noise), the detection limit may be inversely proportional to the path length / NEA ratio. For example, when the ratio is doubled, the detection limit of a particular sample in ppb or mg / m 3 units is halved. Therefore, this is a suitable quantification metric for sensitivity performance. This metric does not consider sensitivity improvements due to advanced sampling techniques such as, for example, gas pressurization and cold trapping.
검출기 및 디지털화 잡음과 같은 제한 시스템 잡음을 고려하면, 경로 길이/NEA 비는 각종 시스템 구성에 대해 최적화될 수 있다. 최적화될 수 있는 파라미 터는 유량, 샘플 셀 부피, 광학 경로 길이, 샘플 셀을 통한 통로수, 광학 구성, 미러 반사율, 미러 반사 물질, 및 사용된 검출기를 포함한다. 예컨대, 최적의 검출기는 크기, 비용 및 사용 기간의 제약 내에서 가장 높은 D* 값 및 속도(보다 낮은 응답 시간)을 가진 검출기이다. Considering limiting system noise such as detector and digitization noise, the path length / NEA ratio can be optimized for various system configurations. Parameters that can be optimized include flow rate, sample cell volume, optical path length, number of passages through the sample cell, optical configuration, mirror reflectance, mirror reflecting material, and detector used. For example, an optimal detector is a detector with the highest D * value and speed (lower response time) within the constraints of size, cost and duration of use.
검출기 잡음 제한형 분광계의 경우에, 감도 또는 경로 길이/NEA 비는 D* 값에 비례한다. 검출기 대역폭은 최대 스캔 속도를 결정할 수 있고, 최대 스캔 속도는 허용된 측정기간 내에서 수행될 수 있는 데이터 평균화의 최대 횟수를 결정한다. 검출기 또는 전자 잡음 제한형 시스템의 경우, 감도는 일반적으로 평균 스캔수의 제곱, 또는 예컨대, 이들 스캔을 수행하는 시간에 따라 증가한다. 일 실시예에서, 스털링(Stirling)-냉각식 검출기는 적어도 1.5x105 m/AU의 경로 길이/NEA 감도비를 제공할 수 있다. DTGS 검출기는 비용이 낮고 관리가 필요 없는 수명으로 인해 저가의 대안을 제공할 수 있지만, 보다 작은 D* 값을 를 가질 수 있고 보다 느릴 수 있다. In the case of detector noise limited spectrometers, the sensitivity or path length / NEA ratio is proportional to the D * value. The detector bandwidth can determine the maximum scan rate and the maximum scan rate determines the maximum number of data averaging that can be performed within the allowed measurement period. In the case of a detector or electronic noise limited system, the sensitivity generally increases with the square of the average number of scans, or, for example, with the time to perform these scans. In one embodiment, the Stirling-cooled detector may provide a path length / NEA sensitivity ratio of at least 1.5 × 10 5 m / AU. DTGS detectors can provide a low cost alternative due to their low cost and unmanageable lifetime, but may have smaller D * values and may be slower.
경로 길이/NEA 값은 필드면과 대물면 간의 거리 및 이들 표면들 사이의 통로들의 수를 최적화함으로써 결정될 수 있다. 도 4는 각종 표면 간격, 예컨대, 6.3 인치 (16.0 cm), 8 인치 (20.3 cm) 및 10 인치 (25.4 cm)에 대해 경로 길이/NEA의 그래프를 미러 반사의 함수로서 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 최대 경로 길이/NEA 값은 약 92개의 통로에서 발생된다. 그러나, 92개의 통로에서, 미러 표면에서의 반사 손실로 인해 광의 25%만이 투과된다. 하나의 구체적인 실시예에서, 샘플 셀은 약 50%와 약 60% 사이의 투과율을 갖고 있다. 98.5%의 미러 반사율의 경우, 60% 투과율은 도 4에서 수직 라인에 의해 표현되는 약 32개의 통로에 대응한다. 50% 투과율은 약 48개의 통로에 해당한다. 표 1은 샘플에서 트레이스 가스를 검출하기 위한 샘플링 시스템을 제공하는 파라미터들의 예시적인 조합을 나타낸다. The path length / NEA value can be determined by optimizing the distance between the field surface and the objective surface and the number of passages between these surfaces. 4 shows a graph of path length / NEA as a function of mirror reflection for various surface spacings, such as 6.3 inches (16.0 cm), 8 inches (20.3 cm) and 10 inches (25.4 cm). As shown in FIG. 4, the maximum path length / NEA value is generated in about 92 passages. However, in 92 passages, only 25% of the light is transmitted due to the reflection loss at the mirror surface. In one specific embodiment, the sample cell has a transmission between about 50% and about 60%. For the mirror reflectance of 98.5%, the 60% transmission corresponds to about 32 passages represented by the vertical lines in FIG. 50% transmission corresponds to about 48 passages. Table 1 shows an exemplary combination of parameters that provide a sampling system for detecting trace gas in a sample.
표 1. 샘플에서 트레이스 가스를 검출하는 샘플링 시스템을 제공하는 파라미터들의 예시적인 조합. Table 1. An exemplary combination of parameters providing a sampling system for detecting trace gas in a sample.
1 10 초 간격의 80%의 가스 교환율에 대한 유량. 1 Flow rate for gas exchange rate of 80% at 10 second intervals.
2 10 초 간격의 90%의 가스 교환율에 대한 유량. 2 Flow rate for gas exchange rate of 90% at 10 second intervals.
경로 길이/NEA 비는 농도의 검출 한계(mg/m3 또는 ppb(parts per billion))로 변환될 수 있다. 이러한 변환에 이용되는 방법은 기대된 피크 흡광 크기와 기대된 NEA 값 간의 비교이다. 장치(10)는 약 500 ppb 미만의 농도를 가진 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 신경 가스와 같은 물질의 트레이스 량을 검출하는데 사용될 수 있다. 각종 실시예에서, 농도는 약 10 ppb와 약 500 ppb 사이일 수 있지만, 시스템 및 응용에 따라 더 높고 낮은 농도가 검출될 수 있다. 일부 실시예에서, 농도는 종(species)에 따라 5 ppb과 약 50 ppb 사이일 수 있다. 예컨대, 장치(10)는 약 8.6 ppb와 약 30 ppb 사이의 농도를 가진 사린의 트레이스량; 약 12.9 ppb와 약 39 ppb 사이의 농도를 가진 타분의 트레이스량; 약 7.3 ppb와 약 22.8 ppb 사이의 농도를 가진 타분의 트레이스량; 약 36.7 ppb와 약 370.6 ppb의 사이의 농도를 가진 유황 겨자의 트레이스량; 또는 약 12.9 ppb와 약 43.9 ppb 사이의 농도를 가진 VX 신경 가스의 트레이스량을 검출할 수 있다. The path length / NEA ratio can be converted to the limit of detection of concentration (mg / m3 or parts per billion). The method used for this conversion is a comparison between the expected peak absorbance magnitude and the expected NEA value.
샘플 셀 내에의 신선한 가스 공급의 증가의 척도인 가스 재생률(gas renewal rate)은 경로 길이/NEA 비와 결합될 수 있어, 검출 시스템 응답 시간이 "Z 초에 검출된 가스 Y의 X mg/m3 (또는 ppb)"로 명시될 수 있다. 검출 시스템 응답 시간은 측정 시간 및 계산 시간(예컨대, 약 5 초)을 포함한다. 표 2는 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 신경 가스와 같은 각종 약품에 대한 예시적인 검출 시스템 응답 시간을 도시한다. Sample of fresh phosphorus (gas renewal rate) gas refresh rate measure of the increase in gas supply in the cell is a gas Y detected, the "Z early detection system response times can be combined with the path length / NEA ratio X mg / m 3 (Or ppb) ". Detection system response time includes measurement time and calculation time (eg, about 5 seconds). Table 2 shows exemplary detection system response times for various drugs such as sarin, starch, cattle, sulfur mustard, and VX nerve gas.
표 2. 본 발명의 검출 시스템을 사용하여 측정된 트레이스 가스에 대한 예시적인 검출 시스템 응답 시간. Table 2. Example detection system response times for trace gases measured using the detection system of the present invention.
도 5는 스텝 프로파일 입력을 이용한 트레이스 가스의 농도 대 시간의 그래프이다(예컨대, 트레이스 가스가 측정 사이클 초기에 샘플 셀로 들어감). 측정 기간 "A"는 데이터가 수집되고 및/또는 간섭도가 기록될 시간이다. 계산 기간 "B"는 간섭도가 스펙트럼으로 변환될 때이고, 스펙트럼 분석은 알람 레벨 및/또는 농도 값을 결정하는데 이용되는 데이터를 생성하기 위해 수행된다. 5 is a graph of trace gas concentration versus time using a step profile input (eg, trace gas enters a sample cell at the beginning of a measurement cycle). The measurement period "A" is the time at which data is to be collected and / or the interference degree is recorded. The calculation period "B" is when the interference is converted into a spectrum, and spectral analysis is performed to generate data used to determine alarm levels and / or concentration values.
도 6은 일련의 측정을 위한 시간 라인을 도시한다. 약품 1은 샘플 셀로 들어가며, 측정 기간 1을 이용하여 검출된다. 간섭도가 계산 기간 1 동안 분석된다. 약품 2가 측정 기간 1 동안 샘플 셀로 들어간다. 약품 2가 충분히 강하면, 측정 기간 1의 나머지 부분 동안 검출될 수 있다. 약품 2가 검출 가능하지 않으면, 후속 측정 기간, 예컨대, 측정 기간 2 동안에 검출되고, 간섭도는 다음의 계산 기간, 예컨대, 계산 기간 2 동안 분석된다. 6 shows a time line for a series of measurements.
일 실시예에서, 판독값(readings)은 고정된 미리 결정된 간격으로 시간 분리될 수 있다. 각종 실시예에서, 간격은 약 1 초와 약 1 분 사이일 수 있지만, 응용에 따라 더 작거나 큰 간격이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 간격은 약 5 초, 약 10 초, 또는 약 20 초이다. 그러므로, 응답 시간은 이 간격뿐만 아니라 약품이 검출 시스템에 의해 검출 가능한 시간에 좌우된다.In one embodiment, readings may be time separated at fixed predetermined intervals. In various embodiments, the interval may be between about 1 second and about 1 minute, although smaller or larger intervals may be used, depending on the application. In some embodiments, the interval is about 5 seconds, about 10 seconds, or about 20 seconds. Therefore, the response time depends not only on this interval but also on the time that the drug can be detected by the detection system.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 트레이스 가스의 검출, 위협 레벨, 하루 중의 시간, 약품에 의해 영향을 받을 수 있는 방 또는 건물 내에 있는 사람들의 수, 특별한 측정 응용 또는 시나리오, 또는 그 조합과 같은 외부 인자에 기초하는 하나 이상의 파라미터를 채택할 수 있다. 예컨대, 높은-위협 조건에서는, 검출 시간을 최소화하고 트레이스 약품의 검출 가능성을 최대화하기 위해 보다 작은 간격이 이용될 수 있다. 낮은 위협 상황에서는, 보다 큰 간격이 사용될 수 있으며, 이는 검출 시스템 수명을 유지하고 알람 에러(잘못된 포지티브 또는 네거티브)의 가능성을 감소시킬 수 있다. In various embodiments, the detection system may include external factors such as detection of trace gas, threat level, time of day, number of people in a room or building that may be affected by the drug, particular measurement application or scenario, or a combination thereof. It may adopt one or more parameters based on. For example, in high-threat conditions, smaller intervals may be used to minimize detection time and maximize the detectability of trace chemicals. In low threat situations, larger intervals can be used, which can maintain detection system life and reduce the likelihood of an alarm error (false positive or negative).
또한, 특별한 약품에 대해 문턱 레벨을 초과하는 개별 측정은, 추가적인 측정들이 보다 짧은 시간 내에 행해질 수 있도록 간격을 감소시키기 위해 검출 시스템을 트리거시킬 수 있다. 각종 실시예에서, 제1 스펙트럼은 제1 해상도 또는 감도로 기록될 수 있다. 오염 물질이 검출되면, 제2 스펙트럼은 더 높은 해상도 또는 감도로 기록될 수 있다. 또한, 검출기는 더 높은 온도에서 작동하는 대기 모드를 가질 수 있고, 이에 따라 그 감도가 증가한다. 외부 인자에 의해 트리거될 때, 검출기의 온도가 증가하여 그 감도를 향상시킨다. In addition, individual measurements above the threshold level for a particular drug can trigger the detection system to reduce the interval so that additional measurements can be made in a shorter time. In various embodiments, the first spectrum may be recorded at a first resolution or sensitivity. If contaminants are detected, the second spectrum can be recorded at higher resolution or sensitivity. In addition, the detector may have a standby mode operating at higher temperatures, thereby increasing its sensitivity. When triggered by an external factor, the temperature of the detector increases to improve its sensitivity.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 외부 인자 또는 인지된 위협에 기초하여 스캔 수를 변화시킬 수 있다. 예컨대, 증가된 수의 스캔은 검출 시스템의 감도를 개선시키기 위해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 이들 추가적인 스캔을 기록하면서 보다 높은 해상도로 동작할 수 있다. 일 실시예에서, 각 스캔은 증가된 수의 평균 또는 개별 스캔을 포함할 수 있다. In various embodiments, the detection system can vary the number of scans based on external factors or perceived threats. For example, an increased number of scans can be performed to improve the sensitivity of the detection system. In one embodiment, the detection system can operate at higher resolution while recording these additional scans. In one embodiment, each scan may include an increased number of average or individual scans.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 단지 보다 빠른 속도로 스캔할 수 있도록 스펙트럼의 낮은 주파수 영역(예컨대, 1300 cm-1 미만)을 디지털화한다. 전자 필터 또는 검출기 응답 기능이, 에이리어싱(aliasing)이 방지 또는 최소화되도록 보다 높은 주파수 영역(예컨대, 1300 cm-1보다 큼)을 제거하기 위해 이용될 수 있다. In various embodiments, the detection system digitizes the low frequency region of the spectrum (eg, less than 1300 cm −1 ) so that it can only scan at higher speeds. Electronic filter or detector response functions may be used to remove higher frequency regions (eg, greater than 1300 cm −1 ) so that aliasing is prevented or minimized.
일부 실시예에서, 검출 시스템은 스펙트럼의 일부분에서의 트레이스 가스의 존재를 검출할 수 있다. 스펙트럼의 제2 부분이, 트레이스 가스의 존재를 확인하고 및/또는 트레이스 가스의 농도 레벨을 결정하기 위해 분석될 수 있다.In some embodiments, the detection system can detect the presence of trace gas in a portion of the spectrum. The second portion of the spectrum can be analyzed to confirm the presence of the trace gas and / or to determine the concentration level of the trace gas.
일 실시예에서, 검출 시스템은 컴팩트하고 자체 포함형인 다중 가스 분석기로서 패키징될 수 있다. 예컨대, 검출 시스템은 공기 품질을 기록, 차트화, 분석 및 보고하기 위한 진단 도구일 수 있다. 도 7 및 도 8은 트레이스 가스를 위해 공기 품질, 예컨대, 주변 공기를 감시하기 위한 예시적인 검출 시스템을 도시한다. 도 7을 참조하면, 검출 시스템은 하우징(42'), 제1 디스플레이(38'), 제2 디스플레이(38''), 가스 입구(46'), 가스 출구(50'), 및 외부 장치들에의 연결을 위한 포트(118)를 포함한다. In one embodiment, the detection system may be packaged as a compact, self-contained multiple gas analyzer. For example, the detection system may be a diagnostic tool for recording, charting, analyzing and reporting air quality. 7 and 8 illustrate exemplary detection systems for monitoring air quality, such as ambient air, for trace gases. Referring to FIG. 7, the detection system includes a housing 42 ', a first display 38', a second display 38 '', a gas inlet 46 ', a
하우징(42')은 상부 패널(122), 측면 패널(126), 및 바닥 패널(130)(도 8에 도시됨)을 포함하는 3차원 직사각형 상자일 수 있다. 상부 패널(122)은 측면 패널(126)에서 경첩 식으로 이동될 수 있으며, 이에 따라 하우징(42')은 서비스를 위해 개방될 수 있다. 상부 패널(122)의 외부 표면은 제1 디스플레이(38') 및 이에 부착 또는 내장된 제2 디스플레이(38'')를 포함할 수 있다. 제1 디스플레이(38')는, 예컨대, 터치 스크린 디스플레이를 가진 액정 디스플레이(LCD)일 수 있다. 제1 디스플레이(38')는 검출 시스템을 동작시키기 위한 명령을 수신할 수 있고, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 디스플레이할 수 있다. 제2 디스플레이(38'')는 예 컨대, 위협 레벨, 알람 상태, 및/또는 검출 시스템 건강 상태를 나타내기 위해 점등되는 일련의 LED를 가진 발광 다이오드(LED) 디스플레이일 수 있다. 예컨대, 제2 디스플레이(38'')는 알람 상태를 나타내는 제1 일련의 녹색, 황색 및 적색 LED, 및 센서 건강 상태를 나타내기 위해 분리된 제2 일련의 녹색, 황색 및 적색 LED를 포함할 수 있다. 각종 실시예에서, 하우징(42')은 주변 공기의 흡입을 위한 구멍을 정의할 수 있다. 구멍은 샘플 셀 내에서의 검출을 위해 가스의 샘플을 흐름 시스템에 도입시키는데 사용될 수 있다.
도 8은 상부 패널(122)이 경첩식으로 이동하여 개방될 때의 상부 패널(122) 및 바닥 패널(130)의 내부를 도시한다. 바닥 패널은 하우징 광학 구성 요소를 위해 광학 상자(134)를 포함하는 내부 샤시를 포함한다. 광학 상자(134)는 알루미늄 쉘(shell)(예컨대, 6061-T6)로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광학 상자(134)는 밀폐 상자이다. 도 8 에 예시된 바와 같이, 광학 상자(134)는 소스(14'), 간섭계(18'), 샘플 셀(22'), 검출기(30'), 포물면 미러(54'), 제1 접이식 미러(58'), 제2 접이식 미러(62'), 타원형 미러(66'), 대물면(74'), 및 필드면(78')을 포함한다. 광학 상자(134)는 또한 가스 흐름을 조절하는 밸브(138), 압력 센서(98'), 펌프(106'), 및 가스 라인(110) 및 연결을 위한 부속(142)을 포함하는 흐름 시스템을 포함할 수 있다. 각종 구성 요소용의 전원 공급 장치(146) 및 팬(150)이 또한 바닥 패널(130)에 부착될 수 있다. 검출 시스템은 정지 공기에서 동작될 수 있고, 팬(150)은 시스템의 내부 온도를 유지할 수 있다. 바닥 패널(130)은 또한 상부 패널(122)과의 인터페이스를 위해 커넥터(154)를 포함한다. 8 shows the interior of the
도 8에 예시된 바와 같이, 상부 패널(122)은 이에 부착된 전자 구성 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 상부 패널(122)은 데이터 획득 모듈(158), 미러 움직임 제어 모듈(162), 단일 보드 컴퓨터(166), 전력 분배 모듈(170), 및 하드 드라이브(172)를 포함할 수 있다. 데이터 획득 모듈(158)은 전치 증폭기, 아날로그-디지털 변환기, 및 데이터 획득 보드를 포함할 수 있다. 전치 증폭기는 검출기(30')로부터 수신되는 아날로그 신호를 증폭할 수 있다. 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환될 수 있다. 데이터 획득 보드는 넷버너(Netburner; 미국 캘리포니아 샌디에고 소재)에서 입수 가능한 넷버너 프로세서 보드일 수 있다. 단일 보드 컴퓨터(166)는 윈도우를 구동하고 GUI를 사용자에게 제공하는, 당장 입수 가능한 PC 마더보드일 수 있다. As illustrated in FIG. 8,
전력 분배 모듈(170)은 전력을 처리하여 시스템 내의 다른 모듈들에 분배할 수 있고, 검출 시스템의 기능을 감시하기 위해 사용되는 건강 및 상태 센서를 구현할 수 있다. 예컨대, 전력 분배 모듈(170)은 AC 전력을 시스템 전원 공급 장치(146) 및 팬(150)에 분배할 수 있고, 온도 제어기(174), 예컨대, 뒤어 인스트루먼츠 인코포레이티드(Dwyer Instruments, Inc.; 인디애나 미시건 시티 소재)에서 입수 가능한 러브 컨트롤스(Love controls)를 제어할 수 있다. 전력 분배 모듈(170)은 또한 샘플 셀 압력, 공기 필터를 가로지르는 차동 압력, 샘플 셀 온도, 및 검출기 온도를 감시하고, 출력을 A/D 변환하고, 결과를 다시 단일 보드 컴퓨터(166)에 전달한다. 전력 분배 모듈(170)은 또한 단일 보드 컴퓨터(166)로부터의 명령에 따라 스털링 냉각식 검출기의 쿨러 모터를 제어할 수 있다. 상부 패 널(122)은 또한 샘플 셀 온도 전송기를 포함할 수 있다. The power distribution module 170 may process and distribute power to other modules in the system and may implement health and condition sensors used to monitor the functionality of the detection system. For example, the power distribution module 170 may distribute AC power to the
상부 패널(122)에 부착되어 데이터의 실시간 분석을 가능하게 할 수 있는 모듈을 사용하여 데이터 처리가 수행될 수 있다. 스펙트럼 라이브러리는 약 300 및 약 400 가스 사이의 스펙트럼 지문을 포함할 수 있지만, 스펙트럼이 기록됨에 따라 보다 많은 가스들이 추가될 수 있다. 데이터 처리는 MATLAB 또는 C++와 같은 표준 컴퓨터 프로그래밍 언어로 수행될 수 있다. 기록된 스펙트럼은 가스 농도, 나머지 스펙트럼, 및/또는 잘못된 알람율을 계산하기 위한 스펙트럼 후-처리를 위해 MATLAB에 전달될 수 있다. 각종 실시예에서, 검출 시스템은 잘못된 알람이 해마다 대략 6번 미만이 되도록 동작할 수 있다. 잘못된 알람은 잡음, 변칙적인 스펙트럼 효과, 분석 코드, 모델 에러, 스펙트럼 라이브러리의 에러, 또는 알려지지 않은 간섭(interferent)에 기인할 수 있다. Data processing may be performed using a module attached to the
컴퓨터 소프트웨어는 그래픽 원격 제어 능력을 가진 자바 기반 플랫폼상에서 동작할 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는, 사용자 로그인, 웹 기반 GUI, 알람 트리거링, 및/또는 검출 시스템으로부터 원격 위치될 수 있는 클라이언트 컴퓨터에 대한 이더넷 인터페이스를 포함한 표준 서비스들을 통합할 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는 원격 건강 및 제어 진단을 수행할 수 있다. 또한, 포트(118)는 데이터 처리 및 데이터 분석을 수행할 수 있는 시스템을 독립형 컴퓨터에 연결하는데 사용될 수 있다.Computer software can run on a Java-based platform with graphical remote control capabilities. The computer software can integrate standard services, including an Ethernet interface to a client computer that can be remotely located from a user login, web-based GUI, alarm triggering, and / or detection system. Computer software can perform remote health and control diagnostics. In addition,
하우징(42')은 50G 충격에 견디도록 설계된다. 일 실시예에서, 하우징(42')은 약 406 mm의 길이 및 약 559 mm의 폭을 가질 수 있다. 매스(mass) 검출 시스템 은 약 20 kg일 수 있다. 하우징(42')은 벽, 이동식 카트, 또는 손수레 상에 장착될 수 있고, 수동으로 또는 기계적인 리프팅 장치를 사용하여 운반하기 위한 핸들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하우징은 건물용 공기 처리 시스템의 일부로서 장착될 수 있다. 검출기가 오염 물질의 존재를 감지하면, 오염 물질을 설명하기 위해 개선 조치가 취해질 수 있다. 예컨대, 알람은 건물에서 철수시키기 위해 소리를 울릴 수 있고, 또는 오염 물질을 공공 지역으로부터 제거하거나 트레이스 가스를 허용가능 레벨까지 줄이기 위해 공기 처리 시스템에서의 공기 흐름이 증가할 수 있다. The housing 42 'is designed to withstand 50G shock. In one embodiment, the housing 42 'may have a length of about 406 mm and a width of about 559 mm. The mass detection system may be about 20 kg. The housing 42 'may be mounted on a wall, a mobile cart, or a cart and may include a handle (not shown) for transporting manually or using a mechanical lifting device. In one embodiment, the housing may be mounted as part of a building air treatment system. If the detector detects the presence of contaminants, remedial action can be taken to account for the contaminants. For example, the alarm may sound to evacuate the building, or the air flow in the air treatment system may increase to remove contaminants from the public area or to reduce trace gas to an acceptable level.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 오염이 있는 경우에 시스템을 정화하기 위해 상승 온도에서 동작할 수 있다. 상기 시스템은, 전자 구성 및 광학 구성 요소를 포함한 나머지 구성 요소를 약 70°C 아래로 유지하면서 샘플 셀 및 흐름 시스템은 약 150°C과 약 200°C 사이의 온도까지 가열될 수 있도록, 구성될 수 있다. 예컨대, 약 150°까지 가열되는 구성 요소는 전자 구성의 손상 및 광학 구성 요소의 재정렬 또는 손상을 방지하기 위해 주변 구성 요소로부터 절연될 수 있다. 상승 온도에서의 샘플 셀 및 흐름 시스템의 동작은 오염 물질의 탈거를 가속시킬 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 시스템이 정화되는 동안 동작할 수 있으며, 이에 따라 정화의 진행이 감시될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 정화 동안에 질소 가스 또는 주변 공기로 정화된다. 가스는 습기(예컨대, 약 30% 이상의 상대 습기)를 포함할 수 있다. 각종 실시예에서, 시스템은 약 2 시간 미만으로 정화되어, 서비스에 복귀될 준비를 할 수 있다. In various embodiments, the detection system may operate at elevated temperatures to purify the system in case of contamination. The system may be configured such that the sample cell and flow system can be heated to a temperature between about 150 ° C. and about 200 ° C. while maintaining the remaining components below about 70 ° C., including electronic and optical components. Can be. For example, components heated to about 150 ° may be insulated from the surrounding components to prevent damage to the electronic components and rearrangement or damage of the optical components. Operation of the sample cell and flow system at elevated temperatures can accelerate the removal of contaminants. In one embodiment, the detection system can operate while the system is being cleaned, so that the progress of the cleaning can be monitored. In one embodiment, the detection system is purged with nitrogen gas or ambient air during purging. The gas may comprise moisture (eg, about 30% or more relative humidity). In various embodiments, the system may be purged in less than about 2 hours, ready to return to service.
일 실시예에서, 검출 시스템의 오염 물질의 농도가 결정될 수 있고, 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면, 적어도 샘플 영역은 오염 물질을 제거하기 위해 정화 온도까지 가열될 수 있다. 샘플 영역을 가열하면서 오염 물질의 농도가 감시될 수 있고, 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달하면, 가열이 감소 또는 멈출 수 있다. 오염 값은 검출 시스템의 성능을 나타내는 물질의 농도일 수 있다. 정화 값은, 검출 시스템이 오염 물질의 영향을 받지 않고 동작할 수 있는 물질의 농도일 수 있다. In one embodiment, the concentration of contaminants in the detection system may be determined, and if the concentration of contaminants exceeds the contamination value, at least the sample region may be heated to a purge temperature to remove the contaminants. The concentration of contaminants can be monitored while heating the sample region, and heating can be reduced or stopped when the concentration of contaminants reaches a purification value. The contamination value may be a concentration of material that indicates the performance of the detection system. The purge value can be the concentration of material at which the detection system can operate without being affected by contaminants.
각종 실시예에서, 검출 시스템의 샘플 셀은 상승 압력에서 동작할 수 있다. 경로 길이/NEA 비는 변화하지 않을 수 있지만, 검출 시스템의 감도는, 트레이스 가스 샘플의 더 많은 양이 동일 경로 길이를 가진 샘플 셀에 존재함에 따라 개선될 수 있다. 또한, 이는 베이스라인에 대해 보다 큰 흡수 신호를 발생할 수 있다. 압력은 샘플 셀 부피를 변하지 않게 유지하면서 유량을 증가시킴으로써 상승할 수 있다. In various embodiments, the sample cell of the detection system can operate at elevated pressure. The path length / NEA ratio may not change, but the sensitivity of the detection system may be improved as more of the trace gas sample is present in the sample cell with the same path length. It may also generate a larger absorption signal relative to the baseline. The pressure can be raised by increasing the flow rate while keeping the sample cell volume unchanged.
필드면 및 대물면은 압력이 상승할 때 이들의 위치가 실질적으로 변하지 않고 유지되도록 고정 장착될 수 있다. 예컨대, 필드면 및 대물면은 이들 표면을 고정하기 위해 막대(rod) 상에 장착될 수 있다. 또한, 샘플 셀은 실질적으로 밀폐될 수 있다. 샘플 셀에서의 대물면 및 필드면은, 포지티브(positive) 압력이 상승 압력에서의 변형을 방지하기 위해 필드면 및 대물면의 각각의 후면에 가해질 수 있도록 샘플 가스로 감싸질 수 있다. 각종 실시예에서, 압력은 1 atm과 약 10 atm 사이일 수 있다. 일 실시예에서, 압력은 4 atm이다. The field and objective surfaces can be fixedly mounted so that their position remains substantially unchanged when the pressure rises. For example, the field and object surfaces may be mounted on rods to secure these surfaces. In addition, the sample cell may be substantially sealed. The objective and field surfaces in the sample cell can be wrapped with sample gas such that positive pressure can be applied to each of the back side of the field and objective surfaces to prevent deformation at elevated pressures. In various embodiments, the pressure may be between 1 atm and about 10 atm. In one embodiment, the pressure is 4 atm.
일부 실시예에서, 두 별개 압력에서 신호들이 측정될 수 있고, 이들 신호들의 비를 취할 수 있다. 신호들의 비는 베이스라인 잡음을 제거하고, 감도를 향상시키고, 및/또는 베이스라인 신호에 대한 트레이스 가스의 흡수 프로파일의 진폭을 증가시킬 수 있다. In some embodiments, signals at two separate pressures can be measured and can take the ratio of these signals. The ratio of signals may remove baseline noise, improve sensitivity, and / or increase the amplitude of the absorption profile of the trace gas with respect to the baseline signal.
샘플 셀에서 제1 압력으로 주변 공기의 샘플을 통해 전파하는 방사빔의 제1 신호가 측정된다. 샘플 셀은 제2 압력까지 주변 공기가 압입된다. 주변 공기의 샘플을 통해 전파하는 방사빔의 제2 신호가 샘플 셀에서 제2 압력으로 측정된다. 트레이스 가스의 존재를 나타내는 신호를 결정하기 위해 제1 신호 및 제2 신호가 조합될 수 있다. 예컨대, 상기 신호들은 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 얻기 위해 조합될 수 있다. 일 실시예에서, 방사빔은 간섭 신호를 포함할 수 있다. 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일은 간섭 신호로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 압력은 약 1 atm이고, 제2 압력은 약 1 atm과 10 atm 사이이다. 하나의 구체적인 실시예에서, 제1 압력은 약 1 atm이고, 제2 압력은 약 4 atm이다. The first signal of the radiation beam propagating through the sample of ambient air at a first pressure in the sample cell is measured. The sample cell is pressurized with ambient air up to the second pressure. A second signal of the radiation beam propagating through the sample of ambient air is measured at the second pressure in the sample cell. The first and second signals can be combined to determine a signal indicative of the presence of trace gas. For example, the signals can be combined to obtain an absorption profile for trace gas. In one embodiment, the radiation beam may comprise an interfering signal. The absorption profile for the trace gas can be determined from the interfering signal. In one embodiment, the first pressure is about 1 atm and the second pressure is between about 1 atm and 10 atm. In one specific embodiment, the first pressure is about 1 atm and the second pressure is about 4 atm.
각종 실시예에서, 압력이 증가할 때 샘플 셀의 광학 정렬은 실질적으로 변하지 않고 유지되기 때문에, 제1 신호는 제2 신호에 대한 베이스라인 신호로서 사용된다. 일부 실시예에서, 베이스라인 신호가 측정되어, 제1 신호 및 제2 신호 둘 다에 대한 베이스라인 신호로서 사용된다. In various embodiments, the first signal is used as the baseline signal for the second signal because the optical alignment of the sample cell is maintained substantially unchanged when the pressure increases. In some embodiments, the baseline signal is measured and used as the baseline signal for both the first signal and the second signal.
각종 실시예에서, 흐름 시스템은 관심 있는 가스 샘플을 그 포화 온도 아래로 냉각시킴으로써 포집하는 냉각봉(cold finger)을 포함할 수 있다. 많은 휘발성 물질은 -75°C의 온도에서 또는 그 온도 아래에서 응축된다. 일 실시예에서, 극저 온 냉각 트랩(cryogenic cold trap)은 샘플 셀로부터의 가스 출구에 형성된다. 지정된 시간 기간 또는 수집 기간 후, 포집된 가스 또는 포집된 가스들은 가열에 의해 급속히 증발되거나 샘플 셀 안으로 다시 "순식간에 전달(flashed)"될 수 있으며, 스펙트럼 측정이 행해질 수 있다. 이 기술은 샘플 셀을 기압에 유지하면서 대략 크기 또는 2만큼 목표 가스량을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 더 긴 시간 간격으로 순식간에 전달되도록 하면서 시간 간격 이후에, 예컨대, 약 10 초마다 연속적인 흐름 측정이 수행될 수 있다.In various embodiments, the flow system may include a cold finger that collects by cooling the gas sample of interest below its saturation temperature. Many volatiles condense at or below -75 ° C. In one embodiment, a cryogenic cold trap is formed at the gas outlet from the sample cell. After a designated time period or collection period, the trapped gas or the trapped gases may be rapidly evaporated by heating or "flashed" back into the sample cell, and spectral measurements may be made. This technique can increase the target gas amount by approximately size or two while keeping the sample cell at atmospheric pressure. In one embodiment, continuous flow measurements may be performed after the time interval, such as about every 10 seconds, while allowing instantaneous delivery at longer time intervals.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 장파 통과 필터를 포함할 수 있다. A/D 변환기로 인한 잡음은 검출기로 인한 잡음과 동일 크기일 수 있다. 장파 통과 필터를 포함시키면 더 높은 파수(wavenumber) 영역을 차단할 수 있으며, 간섭도 센터 버스트(centerburst) 크기의 감소를 통해 디지타이저 동적 범위 요건을 감소시킴으로써 감소를 향상시킬 수 있다. 광학 필터 없이 검출기의 동적 범위는 약 600 cm-1과 약 5000 cm- 1사이일 수 있다. 목표로 하는 유독 물질들 중 다수가 1500 cm-1 미만으로 검출 가능하므로, 감도를 얻기 위해 장파 통과 필터를 사용하여 1500 cm-1보다 높은 스펙트럼은 제거될 수 있다. 예컨대, 약 1667 cm-1에서 컷오프를 가진 상용의 표준 장파 통과 필터의 경우, 경로 길이/NEA 비에서의 이득은 약 20% 내지 약 30% 일 수 있다. 또한, 장파 통과 필터를 사용하면, 검출기가 보다 높은 이득, 예컨대, 특별한 검출기로 달성 가능한 최고 이득으로 동작하도록 함으로써 검출 시스 템의 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 각종 실시예에서, MCT 검출기 또는 DTGS 검출기와 같은 저감도 검출기가 스펙트럼을 보다 높은 주파수 영역에 기록하는 데 사용될 수 있다.In various embodiments, the detection system may include a long pass filter. The noise from the A / D converter can be the same size as the noise from the detector. The inclusion of a long pass filter can block higher wavenumber ranges and improve the reduction by reducing the digitizer dynamic range requirement through a reduction in the interference centerburst size. Dynamic range of the detector without optical filter of about 600 cm -1 and about 5000 cm - can be between 1. Because a large number of toxic substances aiming detectable to less than 1500 cm -1, 1500 cm -1 High spectrum than by using the long-wave pass filter in order to obtain the sensitivity can be eliminated. For example, for a commercially available standard long wave filter with a cutoff at about 1667 cm −1 , the gain in path length / NEA ratio may be from about 20% to about 30%. In addition, using a long pass filter allows the detector to operate at a higher gain, for example the highest gain achievable with a particular detector, thereby improving the signal-to-noise ratio of the detection system. In various embodiments, low sensitivity detectors, such as MCT detectors or DTGS detectors, may be used to record the spectrum in the higher frequency region.
본 발명은 특정 실시예에 대해 특별히 도시 및 설명되었지만, 첨부된 청구의 범위에 의해 정의되는 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 구성의 각종 변화가 행해질 수 있음을 이해해야 한다. While the invention has been particularly shown and described with respect to particular embodiments, it should be understood that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
본 발명에 따라, 화학전 약품, 유독성 공업 약품, 및 주변 공기에서 발견될 수 있는 다른 트레이스 화합물의 트레이스량을 검출할 수 있다.In accordance with the present invention, trace amounts of chemical warfare agents, toxic industrial drugs, and other trace compounds that can be found in ambient air can be detected.
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